Sensoryka - do egzaminu.docx

SENSORYKA

Sensoryka jest dziedziną nauki i techniki zajmującą się środkami i sposobami uzyskiwania informacji o stanie wielkości charakteryzujących kontrolowany proces oraz jej przekształceniem do postaci najdo­godniejszej do dalszego wykorzystania, np. do sterowania tym procesem.

Podstawowymi środkami technicznymi wykorzystywanymi do pozyskiwania informacji o procesach realizowanych przez urządzenia i systemy mechatroniczne są przetworniki pomiarowe i sensory. Procesy te, a więc i pobierana przez przetworniki pomiarowe i sensory informacja procesowa, mogą mieć bardzo róż­ną postać fizyczną: mechaniczną, elektryczną, pneumatyczną, hydrauliczną, także optyczną, chemiczną, a nawet biologiczną oraz różny charakter przebiegu w czasie:

• ciągły (analogowy),

• nieciągły (przerywany, dyskretny).

Przetworniki pomiarowe i sensory powinny zapewnić możliwie wierne przetworzenie informacji procesowej w znormalizowane (ujednolicone) sygnały, akceptowane przez sterowniki i regulatory urządzeń i syste­mów mechatronicznych.

Sygnałami wyjściowymi przetworników pomiarowych i sensorów są przebiegi wybranych wielkości fizycz­nych, z reguły różnych od wielkości fizycznych niosących informacje procesowe, których przynajmniej jeden parametr (np. wartość chwilowa, wartość amplitudy lub częstotliwości) zależy od informacji procesowych.

Sygnały wyjściowe przetworników i sensorów mogą mieć, podobnie jak informacja procesowa, różny charakter przebiegu zmian wartości wielkości wyjściowych reprezentujących informacje pro­cesowe:

• analogowy (ciągły) - wielkość wyjściowa może przyjmować dowolne, w wybranym zakresie, wartości,

• binarny (dwuwartościowy, logiczny) - wielkość wyjściowa może przyjmować wartości ze zbioru dwóch wartości: wartości te reprezentowane są przez liczby 0 i 1,

• dyskretny (nieciągły) - wielkość wyjściowa może przyjmować wartości ze skończonego (ograniczo­nego) zbioru ich wartości.

W technice stosuje się często podział sygnałów wyjściowych przetworników pomiarowych i sensorów na dwie grupy:

• sygnały analogowe - sygnały o przebiegu analogowym w czasie ciągłym,

• sygnały cyfrowe - sygnały binarne lub dyskretne, których wartości są liczbami należącymi do pewnego skończonego zbioru, pojawiającymi się w czasie ciągłym lub dyskretnym.

5.1. Przetworniki pomiarowe i sensory

5.1.1. Przetworniki pomiarowe

Przetwornik pomiarowy to urządzenie realizujące przetwarzanie wielkości fizycznej niosącej informację procesową w postaci lub wartości tej wielkości na inną wielkość fizyczną, jej postać lub wartości, repre­zentujące sygnał wyjściowy, z zachowaniem jednoznacznej zależności między informacją procesową a sygnałem wyjściowym, nazywanej charakterystyką przetwarzania (PN-71 -02050).

Nazwy przetworników pomiarowych pochodzą od nazw wielkości przetwarzanych, np. przetwornik temperatury, przetwornik poziomu cieczy, przetwornik przepływu płynu, przetwornik ciśnienia.

Wielkości fizyczne reprezentujące sygnały wyjściowe przetworników pomiarowych mogą być bardzo różne - zależą od konkretnych potrzeb układów- zespołów urządzenia lub systemu realizującego dany proces. Może to być np. ciśnienie powietrza lub oleju roboczego dla układów pneumatycznych lub hydraulicznych, prąd i napięcie elektryczne dla układów elektrycznych, elektropneumatycznych lub elektrohydraulicznych, także wychylenie (przemieszczenie) wskazówki tablicowego przyrządu pomiarowego przetwornika lub wartość liczbową (cyfrową) wyświetloną na monitorze kontrolno-pomiarowym.

Podstawowymi działaniami realizowanymi przez zespoły przetwornika pomiarowego są (rys. 1):

• pomiar procesowej wielkości fizycznej, realizowany przesz czujnik przetwornika pomiarowego,

• przekształcenie sygnału pomiarowego w zmodyfikowane sygnały pomiarowe (pośredniczące wielko­ści fizyczne, ich postacie lub wartości) przez przekształtniki, wzmacniacze lub przeliczniki,

• prezentację wyniku przetworzenia w postaci sygnału wyjściowego, postaci lub wartości wielkości fizycz­nej reprezentującej sygnał wyjściowy.

Działania te realizowane są przez tor pomiarowy przetwornika.

Strukturę toru pomiarowego przedstawiono na rys. 2 na przykładzie przetwornika pomiarowego temperatu­ry. Procesową, ciągłą wielkością fizyczną jest temperatura, mierzona pierwszym elementem toru pomiarowe­go: czujnikiem w postaci termometru oporowego. Rezystancja termometru oporowego jest sygnałem po­miarowym przetwornika. Ten pierwszy sygnał pomiarowy jest przekształcany przy pomocy mostka pomiaro­wego (z wykorzystaniem pomocniczej energii zasilania) w drugi, napięciowy sygnał pomiarowy. Sygnał na­pięciowy jest następnie wzmacniany i normalizowany przez wzmacniacz pomiarowy przetwornika: trzecim sygnałem pomiarowym jest natężenie prądu o znormalizowanym zakresie wartości 4÷20 mA. Sygnał ten może być wykorzystany jako sygnał wyjściowy przetwornika temperatury (przy zachowaniu jednoznacznej zależności pomiędzy zakresem zmian wartości sygnału prądowego a zakresem zmian wartości temperatury jako wielkości procesowej).

W przypadku potrzeby dysponowania ciśnieniowym sygnałem wyjściowym sygnał prądowy przetwornika jest przekształcany przez kolejny, dodatkowy przekształtnik w czwarty sygnał pomiarowy reprezentowany przez ciśnienie powietrza roboczego o znormalizowanym zakresie wartości

0,2÷1,0 bar.

Rys. 1. Ogólna struktura budowy przetwornika pomiarowego

Rys. 2. Przykład struktury toru pomiarowego w przetworniku pomiarowym temperatury

5.1.2. Sensory

Sensorami przyjęto nazywać w mechatronice przetworniki pomiarowe przetwarzające informacje procesowe w ujednolicone sygnały elektryczne (tab. 1).

Wynika to z definicyjnej potrzeby stosowania w urządzeniach i systemach mechatronicznych procesorów przetwarzających i interpretujących informacje procesowe na drodze elektronicznej, a więc wymagających współpracy z przyrządami przetwarzającymi wspomniane informacje - wielkości procesowe w informacje -sygnały elektryczne o przebiegach, postaciach i wartościach zgodnych (kompatybilnych) z wymaganiami procesorowego interfejsu wejściowego stosowanych sterowników i regulatorów (rys. 3).

W ujęciu mechatronicznym sensorem jest więc przetwornik temperatury o znormalizowanym, prądowym sygnale wyjściowym omówiony w rozdz. 5.1.1 (rys. 2). Jest to sensor temperatury.

Do szczególnie charakterystycznych cech rozwiązań sensorycznych w mechatronice należy zaliczyć:

• działanie w czasie rzeczywistym, a więc z moż­liwie najmniejszymi opóźnieniami pomiędzy zaistnieniem nowej sytuacji i informacji procesowej a reakcją sensora na tę sytuację,

• wysoki stopień integracji konstrukcyjnej senso­rów i zespołów związanych z realizacją proce­su prowadzonego przez urządzenie lub sys­tem mechatroniczny,

• zgodność sygnałów wyjściowych sensorów z wymaganiami procesorowego interfejsu wej­ściowego stosowanego w budowie urządzeń i systemów mechatronicznych sieci telekomu­nikacyjnych, sterowników i regulatorów,

• przeniesienie części działań przekształcających sygnały pomiarowe do procedur przetwarzają­cych procesorów - sterowników lub regulato­rów urządzeń i systemów mechatronicznych,

                                                                       Rys. 3. Sensory w systemie przenośnika podwieszonego (zaznaczone kolorem żółtym)

Przykładem typowego sensora urządzeń i syste­mów mechatronicznych jest np. rozwiązanie stoso­wane w budowie serwomechanizmów pozycyjnych wykorzystujących aktuatory siłownikowe, pneuma­tyczne lub hydrauliczne. W tym rozwiązaniu stosuje się konstrukcyjne połączenie magnetostrykcyjnego czujnika położenia z tłoczyskiem siłownika. Ciąg elektrycznych sygnałów pomiarowych czujnika, od­powiadających aktualnemu położeniu tłoczyska, jest przetwarzany w wartość położenia dopiero w procesorze - regulatorze położenia serwomecha­nizmu. W tym typowym dla mechatroniki rozwiąza­niu sensor jest tylko czujnikiem pomiarowym.

W mechatronice wykorzystuje się często czujniki pomiarowe jako sensory, pozostawiając pozosta­łe pomiarowe działania przekształcające proce­sorom urządzeń i systemów mechatronicznych.

Stosuje się sensory bierne, w których czujnik do wytworzenia sygnału elektrycznego potrzebuje energii pomocniczej. Przykładem jest sensor tem­peratury z termometrem foliowym (rys. 5).

Sensory czynne nie potrzebują energii pomocni­czej, bo ich czujniki są przekształtnikami energii i nieelektryczną wielkość fizyczną przetwarzają bez­pośrednio w sygnał elektryczny. Przykładem jest sensor temperatury z termoelementem (rys. 6).

5.1.2.1. Sensory analogowe

...